Ученые нашли способ управлять отдельными элементами атома, но не понимают, как это вообще возможно

Неожиданное поведение атомного ядра

Команда исследователей из Делфтского технического университета манипулировала ядерным спином в условиях, когда частица вообще не должна была реагировать. Обычно физики работают с электронным магнетизмом, ведь он заметно сильнее и его гораздо проще зафиксировать. В то же время магнитные свойства ядра выражены слабее, однако оно почти не подвержено посторонним возмущениям окружающей среды. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

До сих пор ученые воздействовали на ядро лишь опосредованно благодаря взаимодействию между ним и электроном. Однако в ходе экспериментов ученые направили на отдельный атом одновременно два электрических сигнала с помощью модифицированного сканирующего туннельного микроскопа. Первый импульс был направлен на электрон, а второй – непосредственно на ядро.

Исследователи обнаружили, что могут перевернуть ядерный спин даже тогда, когда связь с электронным спином практически отсутствует. Такая самостоятельная реакция частицы на электрические импульсы микроскопа противоречит предыдущим теоретическим моделям.

Согласно нашему простому пониманию, этого на самом деле не должно было происходить. Ядерный спин вообще не должен быть чувствительным к электрическим сигналам сканирующего туннельного микроскопа– прокомментировал руководитель исследования Сандер Отте.

Чтобы переключать состояние отдельной частицы, авторы адаптировали известный метод двойного магнитного резонанса для масштаба отдельного атома. Команда подобрала точные радиосигналы, соответствующие индивидуальным магнитным резонансам компонентов атома. Согласно законам квантовой механики, спин переходит между фиксированными состояниями исключительно после получения сигнала нужной частоты.

Это можно сравнить со струнами гитары. Каждое возможное вращение спина похоже на струну со своей нотой. Вы должны сыграть именно ту ноту, чтобы заставить вибрировать конкретную струну. Ноты ядерного спина в сотни или тысячи раз ниже, чем электронного– рассказала ведущий автор работы Хестер Веннема.

Новые перспективы для квантовой памяти

Способность адресно управлять ядерным спином открывает большие перспективы для хранения квантовой информации. Поскольку ядра атомов обладают надежной естественной защитой от внешних помех, они могут служить чрезвычайно устойчивыми кубитами. Несмотря на то, что до практического применения в вычислительных системах еще далеко, этот эксперимент заложил основу для новых способов записи и считывания данных.

В то же время результат поставил перед физиками новую фундаментальную загадку: какой физический механизм заставляет ядро реагировать на электрический импульс без достаточной поддержки со стороны электрона. Теперь исследователи готовятся вернуться к теоретическим расчетам и новым тестам, чтобы выяснить неизвестные детали квантового поведения.